FR2807152A1

FR2807152A1 - Echangeur de chaleur a plaques

Info

Publication number: FR2807152A1
Application number: FR0003917A
Authority: FR
Inventors: Marc Altazin; Jean Marie Michaud; Andre Bailly; Jean Michel Croiset; Slimane Meziani; Romuald Jurkowski
Original assignee: CIE IND D APPLIC THERMIQUES CI
Current assignee: CIE IND D APPLIC THERMIQUES CI
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-05
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: WO2001073366A1; EP1269100A1; AU2001246655A1; FR2807152B1

Abstract

Cet échangeur (2) comprend plusieurs plaques (6) définissant des première (8) et seconde (10) séries de canaux de circulation indépendants, pour la circulation d'un premier et d'un second fluides, des premier (20) et second collecteurs d'entrée, débouchant respectivement en amont des premier (8) et second (10) canaux, ainsi que des premier (22) et second collecteurs de sortie, s'étendant en aval desdits premier (8) et second (10) canaux.Au moins l'un des premier (22) et second collecteurs de sortie est pourvu de moyens (30) permettant de diminuer la section de passage du fluide dans le ou chaque collecteur de sortie (22), vers l'amont de ce dernier.

Description

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques.

De manière habituelle, un tel échangeur est composé de plaques superposées qui, après brasage, soudage ou serrage, forment deux séries de canaux de circulation, -permettant respectivement l'écoulement de premier et second fluides, peuvent êtreà l'état monophasique ou diphasique, à leur entrée. Le premier fluide est par exemple un fluide réfrigérant, alors que le second fluide peut être un fluide à refroidir ouà réchauffer. Il est par ailleurs prévu moyens mécaniques permettant de rendre indépendantes ces deux séries de canaux, de sorte que les deux fluides précites entrent pas en contact mutuel.

Un échangeurà plaques comprend également des premier et second collecteurs d'entrée, mis en communication avec des canalisations respectives d'amenée de chaque fluide. Chaque lecteur d'entrée assure l'alimentation d'une série correspondante de canaux. En aval des canaux sont prévus lecteurs de sortie, dont chacun se trouve en communication avec une canalisation de sortie permettant l'évacuation un fluide correspondant.

Les échangeurs de chaleurà plaques évoqués ci-dessus présentent certains inconvénients. En effet, leurs performances augmentent de façonà peu près linéaire avec le nombre de plaques qui les équipent, jusqu'à une valeur seuil . est comprise entre environ 40 et100 plaques. Au-dela de cette valeur seuil, qui dépend notamment de la nature des fluides et de leur débit, les -oerformances de l'échanqeur ont tendanceà stagner, voireà décroître au fur età mesure que on augmente le nombre total de plaques. Par ailleurs, les pertes de charge intervenant au niveau de ces échangeurs de chaleur sont relativement élevées. Les phénomènes décrits ci- dessus sont préjudiciables, en sensque l'échangeur se voit imité dans ses performances.

Afin de pallier ces inconvénients, l'invention se propose réaliser un échangeur de chaleurà plaques dont performances sont améliorées par rapportà l'art antérieur continuent en particulierà augmenter au-delà de la valeur seuil de plaques, dont il est fait mention précédemment.

LI invention se propose également de réaliser un tel échangeur, dont les pertes de charge associées sonù réduites par rapport l'art antérieur.

A cet effet, elle a pour objet un échangeur de chaleur à plaques, comprenant plusieurs plaques, logées dans le volume intérieur de l'échangeur et définissant des première et seconde séries de canaux de circulation indépendants, respectivement pour la circulation de premier et second fluides, notamment d'un fluide réfrigérant et d'un fluideà réfrigérer, ledit échangeur comprenant en outre des premier et second collecteurs d'entrée, s'étendant respectivement en amont des premier et second canaux, en faisant référence l'écoulement de chaque fluide, ainsi que des premier et second collecteurs de sortie, s'étendant en aval desdits premier et second canaux, caractérisé en ce qu'au moins l'un des premier et second collecteurs de sortie est pourvu de moyens permettant de diminuer la section de passage du ou de chaque fluide dans le ou chaque collecteur de sortie, vers l'amont de ce dernier.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la section de passage du ou de chaque fluide, au voisinage du débouché du canal amont dans le collecteur de sortie, est comprise entre1 et50 %, de préférence entre5 et25 %, de section transversale du collecteur de sortie; - les moyens de diminution de la section de passage comprennent un organe rapporté, dont les dimensions transversales augmentent vers1 'amont du collecteur de sortie, ledit organe rapporté étant disposé dans le volume intérieur du collecteur; - l'organe rapporté possède des dimensions longitudinales supérieuresà 30 %, de préférenceà 50 %, de la dimension longitudinale du collecteur de sortie; - organe rapporté estfixé, notamment par brasage, sur une paroi de fond de l'échangeur, disposée en amont dudit collecteur de sortie; - l'organe rapporté possède un axe principal confondu avec un axe longitudinal médian du collecteur de sortie; - l'organe rapporté est un c8ne - les parois latérales de l'organe rapporté possèdent une concavité tournée vers ledit axe longitudinal median ; _ les dimensions transversales du collecteur de sortie sont sensiblement constantes.

L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnée uniquementà titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure1 est une vue en coupe partielle d'un échangeur de chaleurà plaques conformeà l'invention; et - les figures 2 et3 sont des vues en coupe partielle, illustrant le collecteur de sortie de l'échangeur la figure1, muni de deux variantes de réalisation d'un organe rapporté permettant la diminution la section de passage du fluide dans ce collecteur.

L'échangeur de chaleurà plaques illustré sur la figure qui est désigné dans son ensemble par la référence 2, renferme plusieurs plaques6 s'étendant parallèlement, de manièreà définir des première8 et seconde10 séries de canaux, disposés de façon alternée. De façon connue, il est prévu des moyens permettant d'empêcher la communication entre deux canaux8, 10 adjacents. Ces moyens, peuvent par exemple être réalisés par emboutissage, puis brasage ou adjonction d'un Joint, sont représentés de façon schématique, J 1_#i dans un but de clarté, par des lignes de séparation 12. L'échancreur 2 comprend également un raccord d'amenée 14 d'un premier fluide, qui est par exemple un fluide réfrigérant, destinéà s'écouler dans les premiers canaux8. raccord 14 est muni d'un épaulement périphérique16, contre lequel vient en butée une tubulure permettant ,alimentation de ce fluide réfrigérant.

De façon classique, le raccord d'amenée débouche dans une zone de collecte d'entrée, ou collecteur d'entrée 20. Ce dernier, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant, est ainsi disposé en regard de l'ensemble des canaux8, 10, en amont de ces derniers selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant.

Les canaux8 sont mis en communication,à l'oppose du collecteur d'entrée 20, avec une zone de collecte de sortie, ou collecteur de sortie 22. Ce dernier, qui s étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide, est disposé en regard des canaux8, 10, en aval de ceux-ci, de façon symétrique au collecteur d'entrée 20.

Le collecteur de sortie 22 est mis en communicat* avec un raccord d'évacuation 24,ou de sortie, du fluide réfrigérant. Ce raccord 24 est muni d'un épaulement périphérique26, contre lequel vient en butée une tubulure28 permettant l'évacuation du fluide réfrigérant.

L'échangeur 2 comprend également, de façon connue, des raccords d'amenée et d'évacuation d'un second fluide, qui est par exemple un fluideà refroidir, ainsi que des collecteurs d'entrée et de sortie de ce fluide, disposés de part et d'autre des canaux de circulation10. Les éléments mécaniques évoqués ci-dessus ne sont pas représentés sur les figures.

Un organe rapporté, qui est un corps conique30, est logé dans le volume intérieur du collecteur de sortie 22. L'axe principal de ce cône est confondu avec l'axe longitudinal médianA du collecteur de sortie 22, alors que sa base32 est fixée, par exemple par brasage, sur la paroi de fond 34 de l'échangeur 2, opposée aux raccords d'amenée 14 et d'è-vacuation 24 du premier fluide. La pointe36 de ce cône30 s'étend jusqu'au débouché du canal avala', adjacentà la J-E-ois aux raccords 14 et 24.

Les dimensions transversales du collecteur de sortie 22 sont sensiblement constantes. Elles sont définies par la paroi latérale38, ainsi que par les débouchés de l'ensemble des canaux8. Par ailleurs, les dimensions transversales du cône 30 augmentent de façon continue en direction de la paroi de fond 34, savoirà l'opposé du raccord d'évacuation 24, ce qui correspondà l'amont, en référenceà l'écoulement du fluide réfrigérant dans le collecteur de sortie 22.

La section de passage du fluide réfrigérant, qui correspondà la différence entre la section transversale totale du collecteur de sortie 22 la section transversale du cône30, diminue donc de façon continue vers l'amont.A titre indicatif, la section de passage du fluide, au ni-veau du débouché du canal amont 811, adjacentà la paroi de fond 34, est comprise entre1 et50 %, de préférence entre5 et 25%, de la section transversale totale du collecteur de sortie 22.

La figure 2 illustre une variante de l'invention, dans laquelle l'organe rapporté est un cône80 dont la dimension longitudinale, ou longueur, est inférieureà celle du cône30 de la figure précédente. Ce cône s'étend sur une longueur 1 égaleà environ50 -. de la longueur L, ou dimension longitudinale du collecteur de sortie 22, correspondantà la distance séparant le débouché du canal aval8' et la paroi de fond 34.

Le cône80 s'étend donc uniquement dans la région amont 40 du collecteur de sortie 22, en faisant référenceà l'écoulement du fluide. La pointe86 du cône est solidaire d'une tige longitudinale88 terminée par des fils transversaux 90 interposés entre la tubulure28 et l'épaulement26. La base 82 du cône est alors plaquée contre la paroi de fond 34 et n'a pas besoind'y être brasée. En cas de fixation par brasage, l'emploi de la tige88 et des fils90 n'est pas nécessaire.

A la figure3, les moyens de diminution de la section de passage du fluide ne sont plus formes par un cône, mais par un organe rapporté130, dont les parois latérales131 ne possèdent pas un profil rectiligne, en coupe axiale. Ces parois131 présentent une concavité tournée vers l'axe longitudinal médianA du collecteur sortie 22. La base132 de cet organe130 est plaquée contre le fond 34, alors que sa pointe136 est solidaire d'une tige138 prolongée par des fils 140, analoguesà ceux88 et90 de la figure 2.

L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi, on peut prévoir de disposer des moyens de diminution de la section de passage du fluide, analoguesà ceux30, 80 et130, dans le collecteur de sortie du second fluide. De tels moyens peuvent donc equiper le collecteur de sortie du premier fluide et/ou le collecteur de sortie du secondfluide. L'invention trouve son applicationà tous types de fluides, ce soit monophasique ou diphasique. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés.

En effet la Demanderesse a constaté que la stagnation, voire la diminution des performances d'un échangeur de chaleur à plaques, intervenant au-delà d'une valeur seuil de plaques, est notamment iée à une mauvaise répartition du fluide dans les canaux de circulation. Cette mauvaise répartition implique en particulier que le débit de fluide circulant dans le canal adjacent aux raccords d'amenée et d'évacuation est nettement supérieurà celui du fluide circulant dans le canal opposé, adjacentà la plaque de fond de l'échangeur.

Par ailleurs, cette répartition insatisfaisante est liée au fait que, vers le fond de l'échangeur, la différence entre les pressions statiques du fluideà l'entrée età la sortie d'un canal considéré est nettement inférieureà la différence entre les pressions statiques du fluideà l'entrée età la sortie d'un canal situé vers les raccords d'amenée et d'évacuation.

Conformémentà l'invention, prévoir des moyens de diminution de section de passage du fluide, en amont du collecteur de sortie, permet d'augmenter la vitesse d'écoulement fluide, dans cette région amont du collecteur. Ceci induit une augmentation de la pression dynamique de ce fluide, dans la région amont précitée, ainsi qu'une diminution correspondante sa pression statique.

On conçoit donc que, grâceà 1'invention,la différence entre les pressions statiQues du fluideà l'entrée età la sortie des canaux débouchant au voisinage de la région amont du collecteur sortie, est notablement plus importante que dans l'art antérieur. Ceci contribueà homogénéiser, le long du collecteur de sortie, les différences de pressions statiques existant entre l'entrée et la sortie des canaux, et assure donc répartition satisfaisante du fluide entre ces canaux.

Les débits de fluide s'écoulant dans ces différents canaux étant de ce fait, sensiblement identiques, les performances l'échangeurà plaques conformesà l'invention sont substantiellement supérieures1 celles de l'art antérieur. Par ailleurs, les pertes de charges inhérentesà l'emploi de cet échangeur sont notablement réduites, par rapportà celles intervenant dans l'art antérieur.

Il est avantageux que l'organe rapporté possède un axe principal confondu avec l'axe longitudinal médian du collecteur de sortie. Ainsi, le fluideà même de s'écouler de façon régulièrement répartie autour de cet organe.

Claims

REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (2)à plaques, comprenant plusieurs plaques(6) , logées dans le volume intérieur de l'échangeur et définissant des première(8) et seconde(10) séries de canaux de circulation indépendants, respectivement pour la circulation de premier et second fluides, notamment d'un fluide réfrigérant et d'un fluideà réfrigérer, ledit échangeur (2) comprenant en outre des premier (20) et second collecteurs d'entrée, étendant respectivement en amont des premier(8) et second(10) canaux, en faisant référenceà l'écoulement de chaque fluide, ainsi que des premier (22) et second collecteurs de sortie, s'étendant en aval desdits premier(8) et second10) canaux, caractérisé en ce qu'au moins l'un des premier (22) et second collecteurs de sortie est pourvu de moyens(30 ; 80 ; 130) permettant de diminuer la section de passage du ou de chaquef luide dans le ou chaque collecteur de sortie (22), vers l'amont de ce dernier. 2. Echangeur selon la revendication1, caractérisé en que la section de passage du ou de chaque fluide, au voisinage du débouché du canal amont (811) dans le collecteur de sortie (22), est comprise entre1 et50 %, de préférence entre5 et 25 %, de la section transversale du collecteur de sortie (22). 3. Echangeur selon la revendication1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de diminution de la section de passage c. omprennent un organe rapporté(30 ; 80 ; 130), dont les dimensions transversales augmentent vers l'amont du collecteur de sortie (22), ledit organe rapporté étant disposé dans le volume intérieur du collecteur. 4. Echangeur selon la revendication3, caractérisé en ce que ledit organe rapporté possède des dimensions longitudinales(1) supérieuresà 30 %, de préférenceà 50 %, de la dimension longitudinale (L) du collecteur de sortie (22). 5. Echangeur selon l'une des revendications3 ou 4, caractérisé en ce que ledit organe rapporté(30 ; 80 ; 130) est fixé, notamment par brasage, sur une paroi de fond (34) de l'échangeur, disDosée en amont dudit collecteur sortie 2). 6. Echangeur selon l'une des revendicationsà 5, caractérisé en ce que l'organe rapporté(30 ; 80 ; 130) possède un axe principal confondu avec un axe longitudinal median (A) du collecteur de sortie (22). 7. Echangeur selon la revendication6, caractérise en ce l'organe rapporté est un cône(30 ; 80). 8. Echangeur selon la revendication6, caractérise en ce les parois latérales(131) de l'organe rapporté(130) possèdent une concavité tournée vers ledit axe longitudinal median (A). 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications -précédentes, caractérisé en ce que les dimensions transversales du collecteur de sortie (22) sont sensiblement constantes.